基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于陶瓷圆片级封装的ＣＭＯＳ集成风速风向传感器的制作，包括以下步骤：第一步，陶瓷芯片的制备，利用溅射和刻蚀工艺在陶瓷芯片下表面制作加热元件和用于电连接、热连接以及电引出的焊盘。第二步，硅芯片的制备，利用标准ＣＭＯＳ工艺制作热传感测温元件，并利用ＭＥＭＳ各向异性湿法腐蚀工艺制备隔热空腔及硅芯片背面的裂片槽，然后在硅芯片上表面制备铜凸点和焊料。第三步，利用倒装焊封装技术实现硅芯片与陶瓷芯片之间的互连封装，实现两芯片间的电连接和热连接。第四步，划片。第五步，裂片，完成传感器的制备。整个传感器的制备过程，所使用的制备工艺与标准ＣＭＯＳ工艺兼容，后处理工艺简单，封装采用倒装焊封装技术实现传感器的圆片级封装，具有工艺一致性高，兼容性好，后续工艺简单，低成本的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种采用倒装焊封装(Flip-Chip)技术实现的陶瓷圆片级封装,并与 标准CMOS工艺兼容的风速风向传感器，尤其涉及一种低功耗的基于陶瓷圆片级封装的集 成风速风向传感器及其制备方法。
技术介绍
在CMOS集成风速风向传感器的设计中，封装一直以来是阻碍其发展的技术瓶颈。 一方面其封装材料即要求具有良好的热传导性能，又要求对传感器具有保护作用，并且设 计中还需要考虑到封装材料对传感器灵敏度、可靠性以及价格等方面的影响,这就限制了 传感器自身封装设计的自由度。另一方面,热式流量传感器要求传感器的敏感部分暴露在 测量环境中，同时又要求处理电路与环境隔离，以免影响处理电路的性能，两者对封装的要 求产生了矛盾。以往报道的硅风速风向传感器大都将硅片的敏感表面直接暴露在自然环境中，以 便能够感知外界风速变化。这样--来,硅片很容易受到各种污染，导致其性能的不稳定,甚 至损坏。如果采用热导率较高的陶瓷基片，利用倒装焊封装或者导热胶贴附的方式对传感 器硅芯片进行封装，就能够较好的避免上述的矛盾,但是封装后传感器产生的热量绝大部 分以热传导的方式从硅基衬底耗散掉,仅有很小的一部分通过陶瓷与外界空气进行了热交 换，大大降低输出敏感信号的幅值，通过增大传感器的功耗能够提高敏感信号的幅值,但又 造成整个传感器系统较大的功耗。本专利技术根据以往硅风速风向传感器存在的问题,提出了一种利用倒装焊封装技术 实现的基于陶瓷封装CMOS集成的风速风向传感器，设计结构在保证与标准CMOS工艺兼容 以及实现圆片级封装的同时,能够大大降低加热元件在硅基衬底上的热传导，在较低功耗 下可以获得较大的输出信号。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是提供一种基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器 及其制备方法。设计的传感器结构以及封装形式有利于在保证较大敏感信号幅值的同时， 传感器系统具有较低的功耗。技术方案本专利技术将硅风速传感器结构中的加热元件从硅片中分离出来,制造于陶瓷基板下 表面，并以倒装焊封装的形式将硅芯片和陶瓷芯片集成在一起。本专利技术通过制备于陶瓷芯 片下表面的加热元件在芯片表面建立一个温度场，陶瓷芯片上表面暴露在外界环境中，由 加热元件在陶瓷芯片上表面建立的温度场去感受风的变化,热传感测温元件通过用于热连 接的铜凸点测出该温度场温度分布的变化情况。在外界无风的条件下,温度场的分布呈现 完全对称的状态。当外界有风从陶瓷芯片____丨二表面吹过时，风将以热对流的方式从陶瓷芯片 上表面带走部分的热量,热传感测温元件通过铜凸点的热传导作用测出该温度场的变化，进而可反映风速的大小；对称分布的上游和下游热传感测温元件的差分输出反映陶瓷芯片上表面温度场温度梯度的变化，能够反映风向的变化信息。传感器结构中用于倒装焊封装的薄层陶瓷片一方面作为用于保护下层硅芯片的 封装基板,另一方面又作为感受外界风的变化的敏感元件。整个传感器只有陶瓷的上表面 和风的环境接触，其他元件和电路均通过陶瓷芯片和外界环境隔绝，因此能够避免受到外 界环境的污染。通过溅射和刻蚀工艺在陶瓷芯片背面制备金属层，用于形成加热元件、倒装 焊焊盘和电引出焊盘,铜凸点用于实现陶瓷芯片与硅芯片间的电连接和热连接。加热元件 制备在陶瓷上而不是在硅片上，并且硅片上表面与加热元件相对应的区域使用MEMS各向 异性湿法腐蚀工艺制备了隔热空腔,有效减少了由于硅衬底的热传导造成的热损失,从而 大大降低了无用功耗。本专利技术传感器的结构适用于制备二维的风速风向传感器。本传感器设计方案中，第一步陶瓷芯片制备中，陶瓷芯片背面的加热元件和用于 倒装焊封装的电连接、热连接焊盘和电引出焊盘的制备,采用了与CMOS工艺兼容的溅射和 刻蚀工艺技术；第二步硅芯片上测热传感温元件的制备中，采用的是标准CMOS集成电路工 艺；第三步正面隔热空腔和硅芯片背面裂片槽的制备中，利用了 MEMS各向异性湿法腐蚀工 艺，通过硅芯片表面热传感测温元件制备过程中的版图设计能够精确控制腐蚀腔的形状和 深度。第四步凸点工艺中，利用厚胶工艺和电镀工艺实现；第五步圆片级封装中，陶瓷芯片 与硅芯片之间的电连接和热连接使用倒装焊机实现,倒装过程环境温度为350°C,与CMOS 工艺兼容。第五步制备硅芯片背面裂片槽中，使用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺，能够通过 版图设计精确控制裂片槽的位置和深度。本专利技术获得如下效果1.本专利技术的封装工艺属于传感器圆片级封装。工艺引入具有一定热导率的薄层陶 瓷圆片作为传感器的封装材料，陶瓷片的大小与硅芯片完全相同，通过倒装焊封装技术实 现硅芯片与陶瓷薄片之间的电连接和热连接。这种圆片级封装的形式与传统的单芯片封装 的风速风向传感器相比，一方面大大降低了 MEMS器件的封装成本,另一方面在很大程度上 保证了传感器封装造成的偏差的一致性，降低了传感器后端信号调理的成本。2.本专利技术将传感器的加热元件从硅芯片上分离出来，通过溅射和刻蚀工艺制作于 陶瓷芯片背面，硅芯片与加热元件相对应区域利用MEMS湿法腐蚀工艺制作倒金字塔形空 腔，这样一来加热元件与硅芯片之间能够形成空气隔离层，实现加热元件和硅衬间底较好 的热隔离。传统的CMOS集成风速风向传感器,加热元件制作在硅基芯片表面,在降低硅基 衬底热传导方面，一种方法是在硅芯片背面与加热元件对应区域利用湿法腐蚀工艺制备隔 热空腔，其缺点在于制备出的热感应薄膜过于脆弱,热应力对信号检测的影响较大,并且无 法实现传感器的封装。另一种方法是在加热元件下面制备多孔硅隔热层，这样一来制备工 艺与标准CMOS工艺不兼容,并且多孔硅的制备工艺一致性较差,提高了后端传感器信号调 理的难度。本专利技术提出的传感器结构在保证了与传统CMOS工艺完全兼容的同时，结构上的 改进能够有效地降低传感器加热元件产生的热量在硅基芯片中的热传导,使得绝大部分热 量用于感知外界环境中风速风向的变化,能够在较低功耗下获得较大的输出信号。3.本专利技术采用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺制作隔热空腔,具有成本低，--致性 好，能够精确控制形状，一次工艺成型的特点，非常适用于利用CMOS标准工艺制作的MEMS 传感器的后端处理。4.本专利技术采用倒装焊封装技术实现陶瓷芯片与硅芯片之间的电连接和热连接,是 一种非常理想的传感器圆片级封装技术。倒装过程环境温度为350Γ，与CMOS工艺兼容。5.本专利技术使用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺制备硅芯片背面的裂片槽，解决了传感器芯片圆片级封装的电引出问题。本技术相比于硅通孔的制作,具有成本低，工艺简单， 与CMOS工艺兼容的特点。附图说明图1为具有加热元件和焊盘的陶瓷芯片的制备流程。图2为制备完成的陶瓷芯片，a)为侧视图，b)为顶视图。图3为具有测温元件和空腔的硅芯片的制备流程。图4为制备完成的硅芯片，a)为侧视图，b)为顶视图。图5为利用倒装焊技术完成的传感器圆片级封装。图6为最终划片,裂片后的单片传感器芯片。具体实施例方式实施例1一种基于陶瓷圆片级封装的CMOS集成风速风向传感器的制作过程如下第一步，陶瓷芯片的制备1)在陶瓷衬底1下表面派射一层金属铝2，见图1 (a)；2)在金属铝层2上旋涂光刻胶,并进行光刻,露出需要去除的金属铝。利用干法刻 蚀工艺去除未被光刻胶保护的金属铝2,见图1(b)；3)去除光刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于陶瓷圆片级封装的集成风速风向传感器，包括陶瓷芯片（１）和硅芯片（７），硅芯片（７）位于陶瓷芯片（１）的下方，在硅芯片（７）的上表面四边对称分布设有４个热传感测温元件（１４），每个热传感测温元件上热连接有２个下热连接焊盘（１８）且每个热传感测温元件电连接有２个下电连接焊盘（１７），在陶瓷芯片（１）的下表面上设有与每个下热连接焊盘相对应的上热连接焊盘（４）和每个下电连接焊盘相对应的上电连接焊盘（５），在互相对应的上、下热连接焊盘之间设有热连接凸点（３０），在互相对应的上、下电连接焊盘之间设有电连接凸点（２９），电连接凸点（２９）上设有电连接焊料（２７），热连接凸点（３０）上设有热连接焊料（２８），在硅芯片（７）上表面位于４个热传感测温元件中间位置设有隔热空腔（２２），其特征在于加热元件（３）设在陶瓷芯片（１）的下表面上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董自强，黄庆安，秦明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]